JP2733763B2 - APD bias circuit - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
（１） 発明の属する技術分野
本発明は、光入力電力に対する負帰還回路を有しない
アバランシェホトダイオード（以下APDと称する）のバ
イアス回路に関するものであり、特に、雰囲気温度が変
化した場合に、APDの降伏電圧の温度依存性に対応して
バイアス電圧を発生させるようにしたAPDバイアス回路
に関するものである。
（２） 従来技術とその問題点
第１図は、APDのバイアス電圧Vbと増倍率Ｍの関係を
雰囲気温度Ｔをパラメータにして求めたものである。AP
Dのバイアス電圧を固定しておくと、雰囲気温度Ｔが変
化した場合には、増倍率Ｍは大きく変化し、これを光受
信装置に適用すると温度変化に従ってSNRが大きく劣化
することになる。温度が変化してもSNR特性を良好に保
つためには、温度変化に対応してAPDのバイアス電圧を
制御する必要がある。
従来のAPDバイアス回路の構成を第２図に示す。１はA
PD、２は抵抗、３は負の温度係数をもつサーミスタ、４
は高電圧発生回路、５は出力端子、６は負荷抵抗であ
る。この構成では、高電圧発生回路４の出力電圧はサー
ミスタ３と抵抗２で分圧され、抵抗２の両端の電圧から
負荷抵抗６での電圧降下を差し引いた電圧がAPD1のバイ
アス電圧となる。この構成において、例えば雰囲気温度
が上昇するとサーミスタ３の抵抗が小さくなるため、抵
抗２の両端の電圧が上昇し、増倍率Ｍの変化を抑える方
向にAPD1のバイアス電圧が上昇する。
しかしこの構成では、広い温度範囲にわたって増倍率
Ｍを制御することは実際には困難であり、使用温度範囲
の最高温度又は最低温度付近では増倍率が所定の値から
大きく異なった値となるという欠点があった。
（３） 発明の目的
本発明は、かかる点に鑑みて成されたものであり、AP
Dバイアス法の温度補償回路にサーミスタによるホイー
トストンブリッジ回路を用いることを特徴としており、
その目的は広い温度範囲にわたって良好なSNR特性が得
られるAPDバイアス回路を提供することである。
（４） 発明の構成
本発明によるAPDバイアス回路の一実施例を第３図に
示す。７は高電圧発生回路であり、温度補償回路８は、
電圧加算回路部９、定電圧発生回路部10、温度補償電圧
発生回路部11より構成される。温度補償電圧発生回路部
11は、差動バッファ増幅器12、サーミスタ13、抵抗14,1
5,16及び定電圧源17で構成される。
以下本図を参照しつつ、動作を説明する。温度補償電
圧発生回路部11において、抵抗11,15,16とサーミスタ13
から成るホイートストンブリッジからの出力を差動バッ
ファ増幅器12を介して電圧加算回路部９に入力し、定電
圧発生回路部10の出力電圧と電圧加算する。電圧加算回
路部９の出力を高電圧発生回路７に制御電圧として入力
し、その出力電圧をAPD1にバイアス電圧として印加す
る。この場合、次のようなAPDバイアス特性を得ること
ができる。
ホイートストンブリッジを用いた温度補償電圧発生回
路部11の出力電圧Voutは次式で表わすことができる。
但し、
R13,R14,R15,R16:抵抗13,抵抗14,抵抗15,抵抗16の抵抗
値
Vb:低電圧源17の電圧
である。
ここで、雰囲気温度T1,T2,T3（度Ｋ），（T1＞T2＞
T3）におけるサーミスタ13の抵抗値をそれぞれR
13（T1）,R13（T2）,R13（T3）として、抵抗14の抵抗値
R14を次式（２）で示す値に設定する。
また、雰囲気温度Ｔにおけるサーミスタ13の抵抗値R
13（Ｔ）は次式（３）で表すことができる。
R13（Ｔ）＝R0exp［Ｂ（1/T−1T0）］ ……（３）
ここで、
T0:基準温度（273度Ｋ）
R0:サーミスタ13の基準温度T0（273度Ｋ）における抵抗
値
B :定数
である。
このとき、式（１）より求めた出力電圧Voutの温度特
性を第４図に示す。式（３）で示されるサーミスタの抵
抗値の雰囲気温度に対する非線形性のために、出力電圧
Voutは第４図に示されるように、温度に対してＳ字曲線
となる。このＳ字曲線はR14を決定する式（２）で用い
た各温度（T1,T2,T3）おいて図中点線で示した比例直線
と交叉しかつ、T2は中央の交叉点となる。式（２）にお
いて、T1,T2,T3は、R14が正の範囲で自由に選択できる
ため、Ｓ字曲線の温度に対する位置及びＳ字曲線を描く
温度範囲を任意に設定することができる。また、抵抗15
と抵抗16の組合せによって出力電圧Voutの直流偏移量が
決定される。すなわち、抵抗R15と抵抗R16の値の組み合
わせによって出力電圧Voutの中心電圧を任意の値に設定
することが可能となる。
本発明は、サーミスタを用いたホイートストンブリッ
ジによって得られる第４図の実線のようなＳ字特性をAP
Dバイアス回路の温度補償回路の特性に利用するもので
ある。
受光電力一定の条件で、最大のSNRを確保するためのA
PDの増倍率は、温度に対し変化する。APDの増倍率をこ
のSNR最大とする最適値（MOPT）に設定するためのAPDの
バイアス電圧は、温度に対しほぼ２次曲線を描く。この
ことから、高電圧発生回路の制御電圧を第４図に示すよ
うなＳ字曲線特性を持つ電圧とすることにより、APDの
増倍率をMOPTにほぼ一致する値に制御することが可能と
なる。
第４図において、T4を使用温度の最小値、T3を最大値
に設定して、第３図のAPDバイアス回路を構成した場合
のAPDの増倍率特性を第５図に示す。第５図において、1
8は本発明より得られる増倍率特性であり、19はSNRを最
大とするAPDの最適増倍率特性、20は従来の構成例によ
る第１図の増倍率特性である。特性20に比較し特性18は
最適増倍率にほぼ一致しており、本発明により温度に対
し最適増倍率を得るAPDバイアス回路が実現できること
が分かる。
また、第４図のＳ字曲線は温度に対し任意に設定でき
ることから、次のような応用も可能である。第６図は光
伝送系におけるAPDの増倍率Ｍに対するSNR特性の変化を
示すものである。すなわち、増倍率をSNR最大とする最
大値（MOPT）に設定した後のSNRの劣化は、Ｍの減少に
対しては大きく、Ｍの増加に対しては小さい。これによ
り、設定温度から温度が変化した場合にはＭが常に増加
するようにAPDバイアス電圧を制御したほうがSNR特性と
しては安定な動作となる。
第４図のT1を使用温度の最小値、T2を最大値に設定
し、第３図に示す本発明の実施例に適用した場合の増倍
率特性を第７図に示す。本図において、使用温度範囲で
APDの増倍率は、設定温度での値より小さくなることは
なく、目的とする特性が得られていることが分かる。
（５） 発明の効果
以上説明したように、本発明によれば、簡単な回路で
広い温度範囲にわたってAPDの増倍率を最適に制御する
ことが可能であり、環境温度が激しく変化する場所で光
受信器を動作させる場合に、特に大きな効果が期待でき
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bias circuit for an avalanche photodiode (hereinafter, referred to as an APD) having no negative feedback circuit for optical input power, and particularly to a circuit for controlling the ambient temperature. The present invention relates to an APD bias circuit that generates a bias voltage corresponding to the temperature dependency of the breakdown voltage of an APD when the APD bias voltage changes. (2) Figure 1 prior art and its problem is that determined by the ambient temperature T to the parameters of the relationship between the bias voltage V b and the multiplication factor M of the APD. AP
If the bias voltage of D is fixed, when the ambient temperature T changes, the multiplication factor M greatly changes, and when this is applied to the optical receiver, the SNR is greatly deteriorated according to the temperature change. In order to maintain good SNR characteristics even when the temperature changes, it is necessary to control the bias voltage of the APD according to the temperature change. FIG. 2 shows the configuration of a conventional APD bias circuit. 1 is A
PD, 2 is a resistor, 3 is a thermistor having a negative temperature coefficient, 4
Is a high voltage generation circuit, 5 is an output terminal, and 6 is a load resistance. In this configuration, the output voltage of the high voltage generation circuit 4 is divided by the thermistor 3 and the resistor 2, and the voltage obtained by subtracting the voltage drop at the load resistor 6 from the voltage across the resistor 2 becomes the bias voltage of the APD1. In this configuration, for example, when the ambient temperature increases, the resistance of the thermistor 3 decreases, so that the voltage across the resistor 2 increases, and the bias voltage of the APD 1 increases in a direction to suppress the change in the multiplication factor M. However, in this configuration, it is actually difficult to control the multiplication factor M over a wide temperature range, and the multiplication factor becomes a value greatly different from a predetermined value near the maximum temperature or the minimum temperature in the operating temperature range. was there. (3) Object of the invention The present invention has been made in view of the above points,
It is characterized by using a Wheatstone bridge circuit with a thermistor for the temperature compensation circuit of the D bias method.
An object of the present invention is to provide an APD bias circuit capable of obtaining good SNR characteristics over a wide temperature range. (4) Structure of the Invention FIG. 3 shows an embodiment of the APD bias circuit according to the present invention. 7 is a high voltage generating circuit, and the temperature compensating circuit 8 is
It comprises a voltage adding circuit section 9, a constant voltage generating circuit section 10, and a temperature compensation voltage generating circuit section 11. Temperature compensation voltage generator
11 is a differential buffer amplifier 12, a thermistor 13, a resistor 14,1
5 and 16 and a constant voltage source 17. Hereinafter, the operation will be described with reference to FIG. In the temperature compensation voltage generating circuit section 11, the resistors 11, 15, 16 and the thermistor 13
The output from the Wheatstone bridge is input to the voltage adding circuit unit 9 via the differential buffer amplifier 12, and the voltage is added to the output voltage of the constant voltage generating circuit unit 10. The output of the voltage adding circuit 9 is input to the high voltage generating circuit 7 as a control voltage, and the output voltage is applied to the APD 1 as a bias voltage. In this case, the following APD bias characteristics can be obtained. The output voltage V out of the temperature compensation voltage generation circuit 11 using a Wheatstone bridge can be expressed by the following equation. However, R 13, R 14, R 15, R 16: the resistor 13, resistor 14, resistor 15, the resistance value of the resistor 16 V b: the voltage of the low voltage source 17. Here, ambient temperatures T 1 , T 2 , T 3 (degrees K), (T 1 > T 2 >
The resistance value of the thermistor 13 at T 3 ) is R
13 (T 1 ), R 13 (T 2 ), R 13 (T 3 )
Set R 14 to the value shown in the following equation (2). The resistance value R of the thermistor 13 at the ambient temperature T
13 (T) can be represented by the following equation (3). R 13 (T) = R 0 exp [B (1 / T−1T 0 )] (3) where T 0 : reference temperature (273 degrees K) R 0 : reference temperature T 0 of thermistor 13 (273) The resistance value B at the degree K) is a constant. At this time, FIG. 4 shows the temperature characteristics of the output voltage V out obtained from the equation (1). Because of the non-linearity of the resistance of the thermistor expressed by the equation (3) with respect to the ambient temperature, the output voltage
Vout has an S-shaped curve with respect to temperature as shown in FIG. This S-shaped curve intersects with the proportional straight line shown by the dotted line at each temperature (T 1 , T 2 , T 3 ) used in the equation (2) for determining R 14 , and T 2 is the center intersection. Points. In the formula (2), T 1 , T 2 , and T 3 are arbitrarily set with respect to the temperature of the S-shaped curve and the temperature range in which the S-shaped curve is drawn because R 14 can be freely selected within a positive range. Can be. In addition, resistance 15
The DC deviation of the output voltage Vout is determined by the combination of the resistor 16 and the resistor 16. That is, the center voltage of the output voltage V out and the resistor R 15 by the combination of the values of the resistor R 16 can be set to any value. According to the present invention, the S-shaped characteristic as shown by the solid line in FIG.
This is used for the characteristics of the temperature compensation circuit of the D bias circuit. A for securing the maximum SNR under the condition of constant received light power
The multiplication factor of PD changes with temperature. The bias voltage of the APD for setting the multiplication factor of the APD to the optimum value (M OPT ) for maximizing the SNR draws a substantially quadratic curve with respect to the temperature. From this, by setting the control voltage of the high-voltage generating circuit to a voltage having an S-curve characteristic as shown in FIG. 4, it is possible to control the APD multiplication factor to a value substantially matching MOPT. Become. In Figure 4, the minimum operating temperature of T 4, a T 3 is set to the maximum value, indicating the multiplication factor characteristic of the APD of case where the APD bias circuit of FIG. 3 in FIG. 5. In FIG. 5, 1
8 is a gain characteristic obtained from the present invention, 19 is an APD optimum gain characteristic maximizing the SNR, and 20 is a gain characteristic of FIG. 1 according to a conventional configuration example. Compared with the characteristic 20, the characteristic 18 substantially coincides with the optimum multiplication factor, and it can be seen that the present invention can realize an APD bias circuit that obtains the optimum multiplication factor with respect to temperature. Further, since the S-shaped curve in FIG. 4 can be set arbitrarily with respect to the temperature, the following application is also possible. FIG. 6 shows a change in the SNR characteristic with respect to the multiplication factor M of the APD in the optical transmission system. That is, the deterioration of the SNR after the multiplication factor is set to the maximum value (M OPT ) that maximizes the SNR is large as the M decreases and small as the M increases. As a result, when the temperature changes from the set temperature, controlling the APD bias voltage so that M always increases results in stable operation as SNR characteristics. Minimum value of FIG. 4 using temperature T 1 of the, the T 2 is set to the maximum value, indicating the multiplication factor characteristic when applied to an embodiment of the present invention shown in FIG. 3 in FIG. 7. In this figure, the operating temperature range
The multiplication factor of the APD does not become smaller than the value at the set temperature, and it can be seen that the desired characteristics are obtained. (5) Effects of the Invention As described above, according to the present invention, it is possible to optimally control the APD multiplication factor over a wide temperature range with a simple circuit, and to control the light in a place where the ambient temperature changes drastically. When operating the receiver, a particularly great effect can be expected.
【図面の簡単な説明】
第１図はAPD増倍率の温度特性例図、第２図は従来のAPD
バイアス回路構成例を示す回路図、第３図は本発明の一
実施例のAPDバイアス回路構成例を示す回路図、第４図
はサーミスタを用いたホイートストンブリッジ回路の出
力特性例図、第５図は本発明の一実施例によるAPD増倍
率温度特性例と最適増倍率の温度特性例および従来の構
成例によるAPD増倍率特性例図、第６図は光伝送系にお
けるSNR特性例図、第７図は本発明の他の応用例におけ
るAPD増倍率特性例図である。
１……APD、２……抵抗、３……サーミスタ、
４……高電圧発生回路、５……出力端子、
６……負荷抵抗、７……高電圧発生回路、
８…温度補償回路、９……電圧加算回路部、
10……定電圧発生回路部、11……温度補償電圧発生回路
部、12……差動バッファ増幅器、
13……サーミスタ、14,15,16……抵抗、
17……定電圧源、
18……本発明により得られるAPD増倍率特性、
19……APD最適増倍率の温度特性、
20……従来の構成例によるAPD増倍率の温度特性。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an example of a temperature characteristic of an APD multiplication factor, and FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a bias circuit configuration, FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of an APD bias circuit according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is an example of output characteristics of a Wheatstone bridge circuit using a thermistor, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example of an APD multiplication temperature characteristic and an example of an APD multiplication temperature characteristic according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an example of an SNR characteristic in an optical transmission system; The figure is an example of an APD multiplication factor characteristic in another application example of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... APD, 2 ... Resistance, 3 ... Thermistor, 4 ... High voltage generation circuit, 5 ... Output terminal, 6 ... Load resistance, 7 ... High voltage generation circuit, 8 ... Temperature compensation circuit, 9 ... voltage addition circuit section, 10 ... constant voltage generation circuit section, 11 ... temperature compensation voltage generation circuit section, 12 ... differential buffer amplifier, 13 ... thermistor, 14, 15, 16 ... ... resistor, 17 ... ... constant voltage source, 18 ... APD gain characteristic obtained by the present invention, 19 ... temperature characteristic of APD optimum gain, 20 ... temperature characteristic of APD gain by conventional configuration example.
Claims (1)
倍の電圧を発生する高電圧発生回路と、該高電圧発生回
路の出力電圧をバイアス電圧として動作するアバランシ
ェホトダイオードとを備え、 前記温度補償回路は、定電圧発生部と、サーミスタと抵
抗によるホイートストンブリッジを用いて構成された温
度補償電圧発生部と、前記温度補償電圧発生部の出力電
圧と前記定電圧発生部の出力電圧を加算して出力する電
圧加算部とにより構成されていることを特徴とするAPD
バイアス回路。(57) [Claims] A temperature compensating circuit, a high voltage generating circuit that generates a voltage that is a constant multiple of an output voltage of the temperature compensating circuit, and an avalanche photodiode that operates using the output voltage of the high voltage generating circuit as a bias voltage. Is a constant voltage generator, a temperature compensation voltage generator configured using a Wheatstone bridge formed by a thermistor and a resistor, and outputs the sum of the output voltage of the temperature compensation voltage generator and the output voltage of the constant voltage generator. APD characterized by comprising a voltage adder that performs
Bias circuit.
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